计算机网络学习笔记

零：前言

主播学习的是一些常用的、“重点”的内容，对于一些细枝末节以及我并不会接触到的 or 已经过时的东西，并不会涉及到。

本博客仅以巩固自身学习为目的，为了“把书读薄”。

本文参考高军老师的《深入浅出计算机网络》。

一：概述

介绍一些名词概念。

1.1 速率

我们先看数据量的单位：

计算机网络中的速率指数据在数字信道上的传送速率（就是每秒发送多少个比特），认准单位是 (bps) 就好了。

1.2 带宽

带宽指的是信道所能传送的最高数据率，单位 bps。

带宽强调能力上限，速率强调实际速度，但我们往往不作区分。

1.3 吞吐量

吞吐量指的是单位时间内实际通过某个网络的数据量。（把数据量看成水，吞吐量就是水实际流过管道的量）

吞吐量是实际体验到的速度。

1.4 时延 (Delay)

是什么：数据从网络一端传送到另一端所需的总时间。它由四部分组成：

• 发送时延：数据从主机进入信道所需时间。= 数据长度(bit) / 信道带宽(bit/s)。
• 传播时延：信号在物理链路上传播所需时间。= 信道长度(米) / 信号传播速度(米/秒)。
• 处理时延：路由器/交换机检查分组头、决定出路等花费的时间。
• 排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待的时间。

核心是注意发送时延和传播时延的区别，传播时延是物理上（距离）在进行信号传播的。注意好单位就好了。

二：物理层

2.1 重点概述

• 核心定位：在传输媒体上传输比特 0 和 1。
• 核心必会：
  • 两个极限容量公式：
    • 奈氏准则：理想低通信道极限码元传输速率​ = 2W (Baud)。
    • 香农公式：有噪声信道极限信息传输速率​ = W log₂(1+S/N) (bps)。
    • 理解区别：奈氏准则限制码元速率，香农公式限制信息速率。提高数据率需从两方面入手。
  • 编码与调制基本概念：
    • 区分基带调制（编码，如曼彻斯特编码）​ 和带通调制（调幅、调频、调相）。
      信道复用技术：
    • FDM（频分）、TDM（时分）、WDM（波分）​ 的基本思想。
    • CDMA（码分）​ 的原理：正交码片序列、规格化内积计算（教材2.6.4节例题）。常考计算。
  • 传输媒体：了解双绞线、光纤（单模/多模）、无线通信的基本特点和适用场景。

2.2 编码

2.2.1 为什么需要编码

计算机能够把图片、文字等一切内容变成只包括 0、1 的数字比特流。

但是这些比特流不适合直接按照基带信号（高电压=1，低电压=0）传播过去，因为受限于物理因素。

直接传输过去会导致信号衰减失真之类的。甚至分不清，因为会出现一长串的 0 和 1，可能导致双方时钟难以同步。

所以我们需要编码和调制，

2.2.2 基本概念

编码：用于数字信道，把数字信号转换成另一种形式的数字信号。

码元：代表不同离散数值（0、1）的基本波形称为码元。

2.2.3 几种编码

不同编码，0、1 的表示往往不一样。

了解即可。

2.3 调制

调制：用于模拟信道，把数字信号模拟成模拟信号。

了解即可。

2.4 信道的极限容量

任何信道都是有极限容量的，不然失真会很严重。

2.4.1 奈氏准则

每种信道所能通过信号的频率范围（频率带宽/频带），是有限的。

奈氏准则：理想低通信道的最高码元传输速率=2W 码元/秒

其中 W 是信道的频率带宽，就是频率范围的大小啦。单位（Hz)。

数据传输速率(b/s)=码元传输速率(码元/s)*每个码元所携带的比特数(b/码元)

2.4.2 香农公式

香农公式告诉我们在实际场景，有噪声的情况下，理想的数据传输速率。

\[C=W\log_2(1+\frac{S}{N})(b/s) \]

其中，C 是信道的理想数据传输速率，W 是信道的频率带宽，S 是信道内传输信号的平均功率，N 是信道内的高斯噪声功率，S/N 就是信噪比，用分贝(dB) 作为衡量单位。

\[信噪比(dB)=10\log_{10}(\frac{S}{N})(dB) \]

理解：S 是一个人在房间里说话的声音，N 是房间的背景杂音。如果声音很大（信号强），或者房价安静（杂音小），对方越容易听清楚你说的话（误码率低）

2.5 信道复用技术

2.5.0 复用基础

复用就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号，这样能够缓解资源浪费的问题。

对出现的内容能了解基本思想即可。

2.5.1 频分复用

频分复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）

就是把原先的频率范围划分成多个小范围，让他们去用。

2.5.2 时分复用

时分复用（Time Division Multiplexing,TMD)

就是分割成一个个小周期（时分复用帧），然后小周期里面有一段段时隙（时间间隙），时隙里规定只能让谁用。

2.5.3 波分复用

就是光的频分复用。

2.5.4 码分复用

能理解工作原理即可。

码分复用（Code Division Multiplexing,CDM）常称为码分多址（Code Division Multiple Access,CDMA）

CDMA 把每个比特时间划分为 m 个更短的时间片，称为码片（Chip）。

CDMA 中每个站点都被指派一个唯一的 m 比特码片序列，当站点要发送比特 1 时，就发送这个码片序列；发送 0 时，就发送这个码片序列的反码。

如果说这个站点收到了它的码片序列，那么就代表有人给它发送了 1。

这个东西有点像噶拉姆斯米特。

三：数据链路层

3.0 重点概述

数据链路层

• 核心定位：在同一链路的相邻节点间传送以“帧”为单位的数据。
• 核心必会：
  1. 三个基本问题（教材3.2节）：
     • 封装成帧与透明传输：帧边界在哪？字节填充/零比特填充如何实现透明传输？
     • 差错检测：CRC循环冗余校验的原理和计算（模2除法）。
     • 可靠传输：停止-等待、回退N帧(GBN)、选择重传(SR)​ 三种协议的工作原理、滑动窗口变化、序号空间计算。这是理解TCP的基础，必考。
  2. 以太网（核心中的核心）：
     • MAC地址：全球唯一，用于局域网内标识设备。
     • 以太网V2 MAC帧格式：目的/源MAC地址、类型、数据、FCS。
     • CSMA/CD协议（传统共享式总线）：核心思想“先听后发，边发边听，冲突停发，延迟重发”。理解争用期和二进制指数退避算法。这是历史重点，也是考试经典。
  3. 交换机：基于MAC地址表进行存储转发，每个端口是一个独立的冲突域。理解其自学习和转发/过滤过程。

3.1 数据链路层概述

介绍一些概念。

1. 链路：一个节点到它的相邻节点的一段物理线路（类似图论的边）

2. 数据链路=链路+通信协议

3. 帧(Frame) 是数据链路层对等实体之间水平方向进行通信的协议数据单元 PDU。

4. 以太网是一种广泛应用于局域网的有线网络技术标准。

3.2 三个重要问题

3.2.1 封装成帧和透明传输

都是一套工作流程，知道原理即可，不必死记硬背具体规则。

x.1 封装成帧（概念性的东西）

帧首部有帧开始符，尾部有帧结束符，可以用于识别帧的开始和结束。

每一种数据链路层协议都会规定帧的数据载荷的长度上限，即最大传送单元(Maximum Transfer Unit,MTU)

x.2 透明传输

目的：为了解决数据载荷部分也出现帧定界符，引起的帧定界错误。

数据链路层要让网络层交付的协议数据单元(PDU)的内容没有限制！！！就是数据载荷部分出现了帧定界符也没事，就好像数据链路层不存在一样，所以叫做透明传输。

两种方法：

1. 字节填充：在数据载荷中的帧定界符前加转义字符。
   

2. 比特填充

3.2.2 差错检测

目的：要检测传输过程中有没有出错。

发送方跟接收方约定好一个检错技术。然后发送方的数据链路层，根据帧的内容计算出一个检错码，填入帧尾部；接收方再算一遍，再去 check 对不对！

类似哈希罢了。

帧尾部用于存放检错码的字段成为帧校验序列(Frame Check Sequence,FCS)

以下两种方法了解基本概念即可，除了考试外不咋可能让你去算的我觉得。

1. 奇偶校验（以数据中比特 1 的数量作为特征）

2. 循环冗余校验

3.2.3 可靠传输

目的：实现发送方发送什么，接收方就能收到什么。误码出现了也不怕。

以下为三种实现可靠传输的机制。

3.2.3.1 停止-等待协议

停止-等待协议实现原理：

1. 发送方每发送完一个数据分组后停下来，等到接收方发来的确认（Acknowledgement,ACK）分组，才能接着发送。
2. 如果 ACK 在传输过程丢了，或者接收方根本收不到分组（也就是不会发送 ACK），这时候不能让发送方一直等待下去。所以给发送方设置了一个超时计时器（Timeout Timer），若到了超时计时器设置的超时重传时间（Retransmission Time-Out,RTO)，那么发送方就重传一次。
   
3. 利用 0/1 类似滚动数组的手法，给 DATA 跟 ACK 都加上一位比特，这样能 check 接收方是不是重复接收了某个 DATA。（理解目的即可）
   
   

停止-等待协议的信道利用率：
发送方发送数据分组产生的发送时延为 \(T_{D}\)，数据分组正确到达接收方，接收方对数据分位的处理时间可忽略不计，立即给发送方发送确认分组，接收方发送确认分组产生的发送时延为 \(T_{A}\)，发送方对确认分组的处理时间可忽略不计，收发双方之间的往返时间为RTT。

从图3-17可以看出，发送方在经过时间(\(T_{D}\)+RTT+\(T_{A}\))后，就可以发送下一个新的数据分组。由于仅仅是在\(T_{D}\)内才用来发送数据分组，其余时间都在空闲。

3.2.3.2 回退 N 帧协议

咕咕

3.2.3.3 选择重传协议

咕咕咕

3.4 共享式以太网

以太网是一套局域网的技术标准。

3.4.1 网络适配器和 MAC 地址

1. 网络适配器：就是网卡。要把计算机连接到局域网，就需要使用相应的网络适配器。

2. MAC 地址：MAC 地址就是每个网卡的身份证。

3.4.2 CSMA/CD 协议

这个过时了。

3.5 交换式以太网

3.5.1 以太网交换机（简称交换机）

交换机最核心的作用是在局域网内高效、智能地转发数据。

因为交换机原理能够避免“碰撞”（两个传输信号不会碰撞到一起），所以交换机能够沟通两个独立的以太网，且不扩大碰撞域。

3.6 以太网的 MAC 帧格式

• 目的地址和源地址字段分别为6字节长，用来填入帧的目的MAC地址和源MAC地址。

• 类型字段为2字节长，其值用来指明数据字段中的内容是由上一层的哪个协议封装的。

• 数据字段的长度范围是46～1500字节，用来装载上层协议所封装的协议数据单元（PDU）。由于以太网规定最小帧长为64字节，因此除去首部和尾部共18字节，数据字段的最小长度应为46字节。当数据字段的长度小于46字节时，数据链路层就会在数据字段的后面插入相应个填充字节，以确保MAC帧的长度不小于64字节。显然，有效的MAC帧长度为64～1518字节之间。

• FCS字段的长度为4字节，它的内容是使用CRC生成的帧检验序列。接收方的网卡通过FCS的内容就可检测出帧在传输过程中是否产生了误码。